KR20100112068A - 질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정 - Google Patents
질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정 Download PDFInfo
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Abstract
질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에 기초 기판이 승화되는 것을 방지하여, 결정성이 양호한 질화 알루미늄 결정을 성장 속도를 향상하여 성장시키는 질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정을 제공한다. 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 방법은, 이하의 공정이 실시된다. 우선, 주표면(11a)과 이면(11b)을 갖는 기초 기판(11)과, 이면(11b)에 형성된 제1층(12)과, 제1층(12)에 형성된 제2층(13)을 구비한 적층 기판(10)이 준비된다. 그리고 기초 기판(11)의 주표면(11a) 상에 질화 알루미늄 결정(20)이 기상 성장법에 의해 성장된다. 제1층(12)은, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 온도에 있어서 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질로 이루어진다. 제2층(13)은, 제1층(12)의 열전도율보다 높은 재질로 이루어진다.
질화 알루미늄 결정
Description
본 발명은 질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정에 관한 것이다.
질화 알루미늄(AlN) 결정은 6.2 eV의 넓은 에너지 밴드 갭, 약 3.3 WK-1cm-1의 높은 열전도율 및 높은 전기 저항을 갖고 있기 때문에, 광 디바이스나 전자 디바이스 등의 반도체 디바이스용 기판 재료로서 주목받고 있다.
이러한 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에는, 예컨대 기상 성장법의 승화법이 이용된다. 승화법에 의한 질화 알루미늄 결정의 성장은, 예컨대 이하의 공정에 의해 실시된다. 즉, 성장실 하부에 질화 알루미늄 다결정 원료가 마련되고, 성장실 상부의 서셉터에 기초 기판이 질화 알루미늄 다결정 원료와 서로 마주보도록 마련된다. 그리고 질화 알루미늄 다결정 원료가 승화하는 온도까지 질화 알루미늄 다결정 원료가 가열된다. 이 가열에 의해, 질화 알루미늄 다결정 원료가 승화하여 승화 가스가 생성되고, 질화 알루미늄 다결정 원료보다 저온으로 마련되어 있는 기 초 기판의 표면에 질화 알루미늄 단결정이 성장한다.
이와 같이, 기초 기판과 질화 알루미늄 다결정 원료 사이에는 기초 기판으로부터 질화 알루미늄 다결정 원료를 향해 온도가 낮아지는 온도 기울기(온도 차)가 있다. 이 때문에, 기초 기판과 서셉터 사이에도 기초 기판으로부터 서셉터를 향해 온도가 낮아지는 온도 기울기가 있고, 기초 기판 내에도 질화 알루미늄 다결정 원료와 대향하는 면으로부터 서셉터와 대향하는 면을 향해 온도가 낮아지는 온도 기울기가 있다. 기초 기판과 서셉터 사이에 간극이 생기면, 질화 알루미늄 결정의 성장 분위기에 기초 기판의 이면이 노출되기 때문에, 상술한 온도 기울기에 의해, 기초 기판을 구성하는 원소가 승화하여, 기초 기판으로부터 서셉터로, 또는 기초 기판 내에 있어서 고온부로부터 저온부로 재결정화된다. 이 승화 및 재결정화가 진행되면, 기초 기판을 관통하는 구멍이 발생한다. 승화가 더 진행되면, 기초 기판 상에 성장한 질화 알루미늄 결정의 구성 원소가 기초 기판, 서셉터 등의 저온부로 수송되는 경우가 있다. 이 결과, 기초 기판의 표면 상에 성장한 질화 알루미늄 결정에, 구멍이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 기초 기판의 승화를 방지하여, 기초 기판에 구멍이 발생하는 것을 억제하는 것이 과제로 되고 있다.
이러한 기초 기판의 승화를 방지하기 위한 기술로서, 예컨대 일본 특허 공개 제2006-290676호 공보(특허 문헌 1)에는, 기초 기판과 서셉터를 알루미나계의 고온용 접착제를 이용하여 접착하는 것이 기재되어 있다. 이 고온용 접착제는 1000℃ 이상의 고온에서도 충분한 강도를 발휘하는 것이 기재되어 있다.
또한 일본 특허 공표 평성 제11-510781호 공보(특허 문헌 2)에는, 기초 기판 의 이면에 금속 및 금속 화합물로 이루어지는 피막이 형성되어 있는 것이 기재되어 있다.
또한 일본 특허 공개 제2005-247681호 공보(특허 문헌 3)에는, 금속 재료를 흑연 대좌(臺座) 위에 배치하고, 그 금속 재료 위에 기초 기판을 배치하며, 그 기초 기판 위에 가압 부재를 배치하고, 가압 부재로 1700℃ 이상의 고온에서 87.5 kPa 이하의 높은 압력을 가하여, 흑연 대좌와 금속 재료와 기초 기판을 고정 일체화하고 있는 방법이 기재되어 있다. 금속 재료는 티탄, 바나듐 및 지르코늄으로부터 선택되는 하나 이상의 재료인 것이 기재되어 있다.
또한 일본 특허 공개 평성 제9-268096호 공보(특허 문헌 4)에는, 기초 기판에서 단결정이 성장하는 면 이외의 표면을 보호층으로 피복하고 있는 것이 기재되어 있다. 보호층은 탄탈, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴, 레늄, 오스뮴, 이리듐 및 이들의 탄화물, 붕소화물, 질화물로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 것이 기재되어 있다. 또한, 이 보호층과 대좌가 접착제를 이용하여 고정되어 있는 것이 개시되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2006-290676호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공표 평성 제11-510781호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 제2005-247681호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 평성 제9-268096호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1∼4에서 이용하는 접착제, 보호층 및 서셉터(대좌)의 방열성(放熱性)이 나쁜 경우에는, 기초 기판에 열이 축적된다. 기초 기판에 열이 축적되면, 기초 기판과의 열팽창율의 차이 등으로 기초 기판의 이면으로부터 접착제, 보호층 및 서셉터가 쉽게 박리되어, 기초 기판의 이면이 질화 알루미늄 결정의 성장 분위기에 노출되는 경우가 있다. 이 경우에는, 기초 기판의 온도가 높기 때문에 기초 기판의 승화가 현저히 진행되어, 기초 기판 상에 성장한 질화 알루미늄 결정에 구멍이 생기는 경우가 있다.
또한, 기초 기판의 승화를 억제하기 위해, 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 낮게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 낮게 하면, 질화 알루미늄 다결정 원료와 기초 기판의 온도 기울기가 작아지기 때문에, 기초 기판 상에 성장시키는 질화 알루미늄 결정의 성장 속도가 느리다고 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에 기초 기판이 승화하는 것을 방지함으로써, 결정성이 양호한 질화 알루미늄 결정을 성장시킴과 함께, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 향상시킬 수 있는 질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정을 제공하는 것이다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법은 이하의 공정을 포함하고 있다. 우선, 주표면과 이 주표면과 반대측의 이면을 갖는 기초 기판과, 이면에 형성된 제1층과, 제1층에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판이 준비된다. 그리고 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정이 기상 성장법에 의해 성장된다. 제1층은 질화 알루미늄 결정의 성장 온도에서 기초 기판보다 승화하기 어려운 재질로 이루어진다. 제2층은 제1층의 열전도율보다 높은 재질로 이루어진다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 의하면, 제1층은 기초 기판보다 승화하기 어려운 재질로 이루어지기 때문에, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되거나 또는 제1층으로부터 기초 기판이 노출되도록 제1층이 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 기초 기판이 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 분위기에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제2층은 제1층보다 열전도율이 높은 재질로 이루어지기 때문에, 제2층은 제1층보다 방열성이 높다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에, 제2층은 기초 기판이 받은 열을 기초 기판의 외부로 확산시킬 수 있기 때문에, 기초 기판을 냉각하는 효과를 갖는다. 따라서, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 질화 알루미늄 결정을 성장시키기 위한 장치 내에 있어서 온도가 낮은 영역에 위치하는 서셉터와 기초 기판과의 온도 기울기를 작게 할 수 있으므로, 기초 기판의 승화를 억제할 수 있다.
또한, 적층 기판은, 기초 기판의 냉각 효과를 높이는 제2층을 구비하고 있기 때문에, 질화 알루미늄 결정의 원료의 가열 온도를 높게 설정할 수 있다. 이 때문에, 이 원료와 기초 기판의 온도 기울기를 크게 할 수 있기 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 질화 알루미늄 결정의 성장은 적층 기판이 서셉터에 적재된 상태로 행해지고, 제2층은 서셉터의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
제2층은 서셉터의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지기 때문에, 제2층은 서셉터보다 방열성이 높다. 이 때문에, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 보다 더 억제할 수 있고, 기초 기판과 서셉터와의 온도 기울기를 보다 더 작게 할 수 있다. 따라서, 기초 기판의 승화를 보다 더 억제할 수 있다.
또한, 질화 알루미늄 결정의 원료의 가열 온도를 보다 더 높게 설정할 수 있기 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 보다 더 향상시킬 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 상기 준비하는 공정은, 기초 기판의 이면 상에 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 배치하고, 혼합물 상에 제2층을 배치하는 공정과, 제1층으로 하기 위해 혼합물을 소결시키는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 금속 재료를 물리 증착 등에 의해 기초 기판과 대좌 사이에 끼우고, 결정 성장면 측으로부터 가압 부재를 이용하여 큰 압력, 높은 온도로 가열 압착하고 있는 상기 특허 문헌 3과 달리, 가압 부재 등을 이용하지 않고서, 혹은 가압 부재를 이용하는 경우라도 작은 압력, 낮은 온도로 제1층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장면에 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 질화 알루미늄 결정의 성장면과 가압 부재의 반응을 방지할 수 있으며, 질화 알루미늄 결정의 성장면에 손상층이 발생하는 것을 방지할 수 있는 등, 양호한 결정성의 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 가압 부재를 이용하지 않기 때문에 간략화하여 제1층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 제1층을 통해 기초 기판과 제2층을 일체화할 수 있는 적층 기판을 용이하게 얻을 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 기초 기판은 질화 알루미늄 기판이고, 상기 분말은 질화 알루미늄 단결정인 것이 바람직하다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 기초 기판은 질화 알루미늄 기판이고, 상기 분말은 질화 알루미늄 다결정, 질화 알루미늄 세라믹스 및 질화 알루미늄 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말인 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 혼합물은 기초 기판과 동일한 원소를 포함하기 때문에, 혼합물을 소결하면, 기초 기판과의 밀착성을 향상시킨 제1층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 기초 기판과 제1층을 강고히 고착시킬 수 있으므로, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 상기 분말은 붕화지르코늄, 붕화티탄, 붕화탄탈, 붕화니오븀, 붕화몰리브덴 및 붕화크롬으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말인 것이 바람직하다.
상기 붕소화물은 고융점을 가지기 때문에, 내열성이 높은 제1층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 특히 고온에서 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 경우에, 제1층에 의해 기초 기판이 승화하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 기초 기판은 탄화규소 기판이고, 분말은 탄소 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 혼합물은 기초 기판과 동일한 원소를 포함하기 때문에, 혼합물을 소결하면, 기초 기판과의 밀착성을 향상시킨 제1층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 기초 기판과 제1층을 강고히 고착시킬 수 있으므로, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 상기 용제는 유기물, 수지 및 방향족 알콜이 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 상기 용제는 아세톤, 포르말린(포름알데히드), 푸르푸릴알콜 및 폴리이미드 수지가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 이 용제와 분말을 혼합한 혼합물을 페이스트형으로 할 수 있기 때문에, 기초 기판에 혼합물을 접촉시키기 쉽다. 이 때문에, 기초 기판의 이면에 혼합물을 균일하게 접촉시킬 수 있기 때문에, 기초 기판의 이면 전체를 보호할 수 있는 제1층을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 제2층은 탄소 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 제2층은 질화 알루미늄을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
이에 따라, 기상 성장법이 승화법인 경우에, 불활성 가스 분위기 내에서는 제2층이 약 3000℃의 내열성을 갖는 등, 제2층의 내열성을 향상시킬 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 제2층의 두께는 10 ㎛ 이상 10 cm 이하인 것이 바람직하다.
10 ㎛ 이상인 경우, 제2층의 방열 효과를 높일 수 있다. 10 cm 이하인 경우, 제2층이 제1층으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에서, 기초 기판의 열팽창율과 제1층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5℃-1 이하이고, 기초 기판의 열팽창율과 제2층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5℃-1 이하인 것이 바람직하다.
이에 따라, 기초 기판의 열팽창율과 제1층의 열팽창율의 차, 및 기초 기판의 열팽창율과 제2층의 열팽창율의 차를 작게 할 수 있다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장 개시를 위해 승온할 때, 및 질화 알루미늄 결정의 성장 종료 후에 실온까지 냉각시킬 때에, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 억제할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 상기 준비하는 공정은, 기초 기판의 이면 상에 증착법에 의해 금속 피막을 형성하는 공정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
금속 피막은 방열성이 매우 높고 기초 기판과의 계면에서의 열저항이 낮기 때문에, 기초 기판의 방열 효과를 매우 향상시킬 수 있다. 또한, 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 후에, 산성 용액에 의해 에칭을 행함으로써, 질화 알루미늄 결정으로부터 적어도 제1층을 용이하게 제거할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 있어서, 금속 피막의 두께는 1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
1 ㎛ 이상인 경우, 금속 피막의 방열 효과를 높일 수 있다. 200 ㎛ 이하인 경우, 금속 피막이 기초 기판으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정에 있어서, 금속 피막은 텅스텐(W), 탄탈(Ta) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 재료는 방열성이 매우 높고 기초 기판과의 계면에서의 열저항이 매우 낮기 때문에, 기초 기판의 방열 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정의 제조 방법은, 상기 어느 하나에 기재한 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 공정과, 적어도 제1층을 제거하는 공정을 포함하고 있다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정의 제조 방법에 의하면, 제2층에 의해 기초 기판에 열이 축적되는 것을 방지함으로써, 기초 기판의 승화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 질화 알루미늄에 구멍이 발생하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 결정성이 양호한 질화 알루미늄 결정을 제조할 수 있다. 또한, 성장 속도를 향상시켜 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 수 있기 때문에, 효율적으로 질화 알루미늄 결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정은 상기 어느 하나에 기재한 질화 알루미늄 결정의 제조 방법에 의해 제조된다.
본 발명의 질화 알루미늄 결정에 의하면, 제2층에 의해 기초 기판이 승화되는 것을 방지하여, 질화 알루미늄 결정이 성장된다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정의 결정성이 양호하다.
(발명의 효과)
본 발명의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법, 질화 알루미늄 결정의 제조 방법 및 질화 알루미늄 결정에 의하면, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에 기초 기판이 승화되는 것을 방지함으로써, 결정성이 양호한 질화 알루미늄 결정을 성장시킴과 함께, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에서의 기초 기판을 나타내는 개략 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에서의 제1층을 형성한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에서의 제2층을 형성한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에서의 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에서의 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키기 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에서의 적어도 제1층을 제거한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제 조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에서의 적층 기판을 나타내는 개략 측면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 2에서의 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 2에서의 적층 기판을 이용하여 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 2에서의 적어도 제1층을 제거한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 적층 기판 11: 기초 기판
11a, 12a, 14a: 주표면 11b, 12b, 14b: 이면
12: 제1층 13: 제2층
14: 금속 피막 17: 원료
20, 21: 질화 알루미늄 결정 115: 도가니
115c: 통기구 116: 서셉터
119: 가열체 121a, 121b: 방사 온도계
122: 반응 용기 122a: 질소 가스 도입구
122b: 질소 가스 배출구 123: 고주파 가열 코일
H: 두께
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1을 참조하여 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정 및 제조 방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 실시형태에서의 기초 기판(11)을 나타내는 개략 측면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 우선 주표면(11a)과, 주표면(11a)과 반대측의 이면(11b)을 갖는 기초 기판(11)을 준비한다(단계 S1). 준비하는 기초 기판(11)은 특별히 한정되지 않지만, 결정성이 양호한 질화 알루미늄을 성장시키는 관점에서, 질화 알루미늄 기판 및 탄화규소 기판인 것이 바람직하다.
기초 기판(11)의 두께는, 예컨대 100 ㎛ 이상 5 mm 이하인 것이 바람직하다. 이 범위의 두께를 갖고 있으면, 기초 기판(11) 내의 온도 기울기가 지나치게 커지지 않기 때문이다.
도 3은 본 실시형태에서의 제1층(12)을 형성한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 기초 기판(11)의 이면(11b)을 덮도록 제1층(12)을 형성한다(단계 S2). 이 제1층(12)은 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 온도에 있어서 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질로 이루어진다. 제1층(12)은 기초 기판(11)을 보호하고, 기초 기판(11)과 제2층(13)을 접합하기 위해 형성되어 있다.
제1층(12)의 두께(H12)는 50 ㎛ 이상 10 mm 이하가 바람직하고, 500 ㎛ 이상 5 mm 이하가 보다 바람직하다. 두께(H)가 50 ㎛ 이상인 경우, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때(도 5 참조)에, 기초 기판(11)으로부터 제1층(12)이 박리되거나 또는 제1층(12)으로부터 기초 기판(11)이 노출되도록 제1층(12)이 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 고온에서 장시간의 질화 알루미늄 결정의 성장에 견딜 수 있는 제1층(12)을 형성할 수 있다. 500 ㎛ 이상인 경우, 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 때에, 제1층(12)의 박리 및 소실을 한층 더 방지할 수 있다. 한편, 기초 기판보다 승화하기 어려운 재질로 이루어지는 제1층(12)의 두께(H12)가 10 mm 이하인 경우, 질화 알루미늄 결정의 성장에 이용하는 장치에, 제1층(12)이 형성된 적층 기판(10)(도 4 참조)을 용이하게 배치할 수 있기 때문에, 취급이 용이하다. 5 mm 이하인 경우, 기초 기판(11)과 제1층(12)을 구비한 상태에서의 취급이 보다 용이하다.
제1층(12)은 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 온도에 있어서 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질로 이루어진다. 여기서, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 온도란, 예컨대 1700℃∼2000℃이다. 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질이란, 예컨대 기초 기판(11)보다 융점이 동일하거나 높은 재질이다.
구체적으로, 제1층(12)은 이하의 공정이 실시되는 것이 바람직하다. 우선, 분말과 용제를 혼합하여 혼합물을 형성한다. 그리고 기초 기판(11)의 이면(11b) 상에 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 접촉시키고 이 혼합물을 소결함으로써, 혼합물이 경화되어 기초 기판(11)의 이면(11b)을 덮도록 제1층(12)이 형성된다.
혼합물을 이면(11b) 상에 접촉시키는 방법으로서는, 이면(11b) 상에 혼합물을 도포하더라도 좋고, 저류되어 있는 혼합물에 침지시키더라도 좋다.
또한, 혼합물을 소결할 때는, 기초 기판(11)의 이면(11b) 상에 배치된 혼합물을 그 위쪽에서부터 압력을 가하지 않고 소결하는 것이 바람직하다. 이 경우, 압력을 가하기 위한 가압 부재를 이용하지 않기 때문에, 성장시키는 질화 알루미늄 결정 성장면의 오염을 방지할 수 있고, 성장시키는 질화 알루미늄 결정 성장면과 가압 부재와의 반응을 방지할 수 있으며, 성장시키는 질화 알루미늄 결정의 성장면에 손상층이 발생하는 것을 방지할 수 있는 등 양호한 결정성의 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 수 있다.
또한, 혼합물 위에 제2층(13)(도 4 참조)을 배치하고, 제2층(13) 상에 가압 부재를 배치하더라도 좋다. 이 경우에는, 가압 부재를 구성하는 재료가 실리콘(Si) 등인 것이 바람직하고, 또한, 가압 부재로 가압하는 압력은 10 g/㎠∼1000 g/㎠인 것이 바람직하다.
또한, 혼합물을 소결할 때는, 예컨대 기초 기판(11)의 이면(11b)에 혼합물을 접촉시킨 상태로 가열로에 투입함으로써 제1층(12)을 형성할 수 있다. 또한, 혼합물을 소결시킬 때의 분위기는 특별히 한정되지 않고, 대기 중에서 행하더라도 좋지만, 기초 기판과 혼합물 사이의 간극의 공기를 탈포(脫胞)할 수 있기 때문에, 진공 가열로를 이용하는 것이 바람직하다. 혼합물을 소결시키는 온도는, 예컨대 200℃∼500℃이다.
실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 기초 기판(11)의 열팽창율과 제1층(12)의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-5℃-1 이하인 것이 바람직하다. 기초 기판(11)의 열팽창율과 제1층(12)의 열팽창율의 차가 작기 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장 개시를 위해 승온할 때, 및 질화 알루미늄 결정의 성장 종료 후에 실온까지 냉각시킬 때에, 열팽창율의 차에 의한 응력을 저감할 수 있다. 따라서, 기초 기판(11)으로부터 제1층(12)이 박리되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 성장시키는 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 기초 기판(11)의 열팽창율과, 제1층(12)의 열팽창율의 차의 절대치는 작을수록 바람직하고, 차가 0이라도 좋다. 또한, 질화 알루미늄 결정의 성장시의 온도 분포는, 실온에서부터 2300℃ 이하의 범위에서 행해진다. 실온은, 예컨대 20℃ 정도이다.
분말은 기초 기판(11)을 구성하는 재료의 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 구체적으로, 기초 기판(11)이 질화 알루미늄 기판인 경우에는, 이 분말은 질화 알루미늄 단결정, 질화 알루미늄 다결정, 질화 알루미늄 세라믹스 및 질화 알루미늄 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말인 것이 바람직하다. 기초 기판(11)이 탄화규소 기판인 경우에는, 분말은 탄소 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 분말은 기초 기판(11)과 동일한 원소를 포함하기 때문에, 이 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 소결하면, 기초 기판(11)과의 간극을 줄여 기초 기판과의 밀착성을 향상시킨 제1층(12)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 기초 기판(11)과 제1층(12)을 강고히 고착할 수 있으므로, 기초 기판(11)으로부터 제1층(12)이 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 질화 알루미늄 결정 을 장시간 성장시키는 경우에, 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.
또한, 분말은 붕화지르코늄, 붕화티탄, 붕화탄탈, 붕화니오븀, 붕화몰리브덴 및 붕화크롬으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말이라도 좋다. 이들 붕소화물은 고융점이기 때문에, 내열성이 높은 제1층(12)을 형성할 수 있다.
이 때문에, 특히 고온에서 질화 알루미늄 결정(도 5 참조)을 성장시키는 경우에, 제1층(12)에 의해 기초 기판(11)이 승화하는 것을 보다 방지할 수 있다.
또한, 분말의 입자 지름은 0.5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 100 ㎛ 이하인 경우, 기초 기판(11)과 치밀하고 강고히 접촉하는 제1층(12)을 형성할 수 있다. 기초 기판(11)과의 접촉 면적이 크기 때문에, 기초 기판(11)이 받은 열을 제2층(13)까지 전달하기 쉽게 하여, 기초 기판(11)에 열이 축적되는 것을 보다 억제할 수 있다. 10 ㎛ 이하인 경우, 기초 기판(11)과 보다 치밀하고 강고히 접촉하는 제1층(12)을 형성할 수 있다. 한편, 0.5 ㎛ 이상인 경우, 용제와 혼합했을 때에 침전, 분리 등이 발생하지 않고 균일하게 혼합물을 작성할 수 있다.
용제는 유기물, 수지 및 방향족 알콜이 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다. 유기물로서는, 예컨대 아세톤, 이소프로필알콜, 포르말린(포름알데히드) 등을 이용할 수 있다. 수지로서는, 예컨대 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지 등을 이용할 수 있다. 방향족 알콜로서는, 예컨대 푸르푸릴알콜, 신나밀알콜 등을 이용할 수 있다. 이 용제와 분말을 혼합한 혼합물을 페이스트형으로 할 수 있기 때문에, 기초 기판에 혼합물을 접촉시키기 쉽다. 이 때문에, 기초 기판(11)의 이 면(11b)에 혼합물을 균일하게 접촉시킬 수 있기 때문에, 기초 기판(11)의 이면(11b) 전체를 보호할 수 있는 제1층(12)을 용이하게 형성할 수 있다.
특히, 아세톤, 포르말린(포름알데히드), 푸르푸릴알콜 및 폴리이미드 수지가 혼합되어 이루어지는 용제를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 간이성 및 양산성이 우수하기 때문에, 비용을 저감할 수 있다.
도 4는 본 실시형태에서의 제2층(13)을 형성한 상태를 나타내는 개략 측면도이다.
도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1층(12)의 이면(12b)을 덮도록 제2층(13)을 형성한다(단계 S3). 제2층(13)은 기초 기판(11)이 받은 열을 기초 기판(11)의 외부로 확산하기 위해 형성되어 있다.
제2층(13)의 두께(H13)는 10 ㎛ 이상 10 cm 이하가 바람직하고, 50 ㎛ 이상 10 cm 이하가 보다 더 바람직하며, 100 ㎛ 이상 5 cm 이하가 더욱 더 바람직하다. 두께(H13)가 10 ㎛ 이상인 경우, 제2층(13)에 의해 기초 기판(11)으로부터 열을 확산하는 냉각 효과가 높아진다. 50 ㎛ 이상인 경우, 제2층(13)에 의해 기초 기판(11)으로부터 열을 확산하는 냉각 효과가 보다 더 높아진다. 100 ㎛ 이상인 경우, 제2층(13)이 갖는 기초 기판(11)의 냉각 효과가 더욱 더 높아진다. 한편, 10 cm 이하인 경우, 제2층(13)이 제1층(12)으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다. 5 cm 이하인 경우, 제2층(13)이 제1층(12)으로부터 박리되는 것을 보다 더 방지할 수 있다.
제2층(13)은 제1층(12)의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지고, 서셉 터(116)(도 6 참조)의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2층(13)은 탄소 원소 및 질화 알루미늄 원소 중 적어도 한쪽을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 기상 성장법이 승화법인 경우에, 불활성 가스 분위기 내에서는 제2층(13)이 약 3000℃의 내열성을 갖는 등 제2층(13)의 내열성을 향상시킬 수 있다. 기초 기판(11)이 탄화규소 기판인 경우에는, 제2층(13)은 탄소 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하고, 카본 기판인 것이 바람직하다. 기초 기판(11)이 질화 알루미늄 기판인 경우에는, 제2층(13)은 질화 알루미늄 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하고, 질화 알루미늄 세라믹스 기판인 것이 보다 더 바람직하다.
실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 기초 기판(11)의 열팽창율과 제2층(13)의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-5℃-1 이하인 것이 바람직하다. 기초 기판(11)의 열팽창율과 제2층(13)의 열팽창율의 차가 작기 때문에, 질화 알루미늄 결정의 성장 개시를 위해 승온할 때, 및 질화 알루미늄 결정의 성장 종료 후에 실온까지 냉각시킬 때에, 열팽창율의 차에 의한 응력을 저감할 수 있다. 따라서, 기초 기판(11)으로부터 제2층(13)이 박리되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 성장되는 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 기초 기판(11)의 열팽창율과 제2층(13)의 열팽창율의 차의 절대치는 작을수록 바람직하고, 차가 0이라도 좋다.
또한, 실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 제1층(12)의 열팽창율과 제2층(13)의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-5℃-1 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 제2층(13)이 제1층(12)으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.
이상으로부터, 기초 기판(11)과, 기초 기판(11)의 이면(11b)에 형성된 제1층(12)과, 제1층(12)에 형성된 제2층(13)을 구비한 적층 기판(10)을 준비할 수 있다.
또한, 상술한 내용에서는, 기초 기판(11)의 이면(11b)에 제1층(12)을 형성하고, 그 후에 제2층(13)을 형성하는 방법을 예로 들어 설명했지만, 이들을 형성하는 순서는 특별히 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1층(12)이 되어야 하는 혼합물을 기초 기판(11)의 이면(11b) 상에 배치하고, 이 혼합물 상에 제2층(13)을 배치한다. 그 후, 제1층(12)으로 하기 위해 혼합물을 소결한다. 이와 같이, 제1층(12)을 통해, 기초 기판(11)의 이면(11b) 상에 제2층(13)을 형성하더라도 좋다. 이 경우, 제1층(12)에 의해 기초 기판(11)과 제2층(13)을 용이하게 접합할 수 있기 때문에, 기초 기판(11)과 제1층(12)과 제2층(13)을 용이하게 일체화할 수 있다.
도 5는 본 실시형태에서의 알루미늄 결정(20)을 성장시킨 상태를 나타내는 개략 측면도이다. 도 1 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 기초 기판(11)의 이면(11b)이 제1층(12) 및 제2층(13)으로 덮힌 상태로, 기초 기판(11)의 주표면(11a) 상에 질화 알루미늄 결정(20)을 기상 성장법에 의해 성장시킨다(단계 S4).
질화 알루미늄 결정(20)의 성장 방법은, 기상 성장법이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 승화법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 하이드라이드 기상 성장)법, MBE(Molecular Beam Epitaxy: 분자선 에피택시)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: 유기 금속 화학 기상 퇴적)법 등을 채용할 수 있다. 특히, 질화 알루미늄 결정(20)의 결정 성장에 적합한 관점에서, 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 것이 바람직하다.
도 6은 본 실시형태에서의 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키기 위한 장치를 나타내는 개략도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 이 세로형의 장치에서의 반응 용기(122)의 중앙부에는, 통기구(115c)를 갖는 도가니(115)가 마련되고, 도가니(115) 상부에는, 적층 기판(10)을 적재하기 위한 서셉터(116)가 마련된다. 서셉터(116)는 도가니(115)의 일부를 구성하고 있다. 도가니(115) 내부에서부터 외부로의 통기를 확보하도록, 도가니(115) 주위에 가열체(119)가 마련된다. 또한, 반응 용기(122)의 외측 중앙부에는, 가열체(119)를 가열하기 위한 고주파 가열 코일(123)이 마련된다. 또한, 반응 용기(122)의 단부에는, 반응 용기(122)의 도가니(115) 외부에 질소(N2) 가스를 흘리기 위한 질소 가스 도입구(122a) 및 질소 가스 배출구(122b)와, 도가니(115) 하면 및 상면의 온도를 측정하기 위한 방사 온도계(121a, 121b)가 마련된다.
본 실시형태에서는, 상기 장치를 이용하여 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정(20)을 이하와 같이 하여 성장시킨다. 우선, 도가니(115) 하부에 원료(17)를 배치하고, 도가니(115) 상부의 서셉터(116)에 적층 기판(10)을 배치한다. 그 후, 반응 용기(122) 내에 N2 가스를 흘리면서, 고주파 가열 코일(123)을 이용하여 가열체(119)를 가열함으로써 도가니(115) 내의 온도를 상승시켜, 도가니(115)의 원료(17)측의 온도를 그 이외의 부분의 온도보다 높게 유지한다. 이에 따라, 원 료(17)를 승화시키고, 기초 기판(11)의 주표면(11a) 상에 질화 알루미늄 결정을 고화(재결정화)시켜, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킨다.
여기서, 질화 알루미늄 결정의 성장 중에는, 도가니(115)의 원료(17)측의 온도는 예컨대 1600℃∼2300℃로 하고, 도가니(115) 상부의 기초 기판(11)의 주표면(11a)의 온도를 예컨대 원료(17)측의 온도보다 10℃∼200℃ 낮게 함으로써, 결정성이 좋은 질화 알루미늄 결정을 얻을 수 있다. 또한, 기초 기판(11)의 온도를 원료(17)의 온도보다 50℃∼200℃ 낮게 함으로써, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 결정 성장 중에도 반응 용기(122) 내의 도가니(115) 외측에 질소 가스를, 100 sccm∼1 slm이 되도록 계속해서 흘림으로써, 질화 알루미늄 결정으로의 불순물의 혼입을 감소시킬 수 있다.
또한, 도가니(115) 내부의 승온 중에는, 도가니(115)의 원료(17)측의 온도보다 그 이외의 부분의 온도를 높게 함으로써, 도가니(115) 내부의 불순물을 통기구(115c)를 통하여 제거할 수 있다. 이 때문에, 성장하는 질화 알루미늄 결정(20)에 불순물이 혼입되는 것을 보다 더 감소시킬 수 있다.
이상의 단계 S1∼S4에 의해, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킬 수 있다. 이 질화 알루미늄 결정(20)을 이용하여 질화 알루미늄 결정(21)(도 7 참조)을 제조하는 경우에는, 이하의 공정이 더 실시된다.
도 7은 본 실시형태에서의 적어도 제1층(12)을 제거한 상태를 나타내는 개략 측면도이다. 다음에, 도 1 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 적층 기판(10) 및 질화 알루미늄 결정(20)으로부터 적어도 제1층(12)을 제거한다(단계 S5). 기초 기판(11)이 질화 알루미늄과 다른 재료인 이종 기판인 경우에는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 기초 기판(11) 및 제1층(12)을 제거하고 있다. 기초 기판(11)이 질화 알루미늄 기판인 경우에는, 도 7에 나타낸 바와 같이 기초 기판(11) 및 제1층(12)을 제거하더라도 좋고, 또한 제1층(12)만을 제거하더라도 좋다.
제거하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 절단, 연삭, 벽개 등 기계적인 제거 방법을 이용할 수 있다. 절단이란, 전착 다이아몬드 호일의 외주날을 갖는 슬라이서 등에 의해 기계적으로 질화 알루미늄 결정(20)으로부터 적어도 기초 기판(11)을 제거하는 것을 말한다. 연삭이란, 지석을 회전시키면서 표면에 접촉시켜, 두께 방향으로 깎아내는 것을 말한다. 벽개란, 결정 격자면을 따라 질화 알루미늄 결정(20)을 분할하는 것을 말한다. 또한, 에칭 등 화학적인 제거 방법을 이용하더라도 좋다.
이상의 단계 S1∼S5를 실시함으로써, 질화 알루미늄 결정(21)을 제조할 수 있다. 이와 같이 제조되는 질화 알루미늄 결정(21)은, 예컨대 5 mm 이상의 직경 또는 한 변이 5 mm 이상의 사각형인 평면 형상을 가지며, 1 mm 이상의 두께를 갖는다. 그 때문에, 질화 알루미늄 결정(21)은 디바이스의 기판에 적합하게 이용된다.
또한, 1 mm 이상의 두께를 갖는 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 경우에는, 질화 알루미늄 결정(20, 21)으로부터 복수의 질화 알루미늄 결정 기판을 추출할 수 있다. 질화 알루미늄 결정(20, 21)은 단결정으로 이루어지기 때문에, 용이하게 분할된다. 이 경우에는, 질화 알루미늄 결정 기판은 결정성이 양호하고, 비용을 감소시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 방법 및 질화 알루미늄 결정(21)의 제조 방법은, 기초 기판(11)과, 이면(11b)에 형성된 제1층(12)과, 제1층(12)에 형성된 제2층(13)을 구비하고, 제1층(12)은 질화 알루미늄 결정의 성장 온도에서 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질로 이루어지는 적층 기판(10)을 이용하고 있다.
본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 방법 및 질화 알루미늄 결정(21)의 제조 방법에 의하면, 제2층(13)은 제1층(12)보다 열전도율이 높은 재질로 이루어지기 때문에, 제2층(13)은 제1층(12)보다 방열성이 높다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킬 때에, 제2층(13)은 기초 기판(11)이 받은 열을 확산시킬 수 있기 때문에, 기초 기판(11)을 냉각하는 효과를 갖는다. 따라서, 기초 기판(11)에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키기 위한 장치 내에 있어서 상대적으로 온도가 낮은 영역에 위치하는 서셉터(116)와, 기초 기판(11)의 온도 기울기를 작게 할 수 있다.
또한, 제1층(12)은 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 재질로 이루어지기 때문에, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킬 때에, 기초 기판(11)으로부터 제1층(12)이 박리되거나 또는 제1층(12)으로부터 기초 기판(11)이 노출되도록 제1층(12)이 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 기초 기판(11)이 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 분위기에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 제2층(13)에 의해, 기초 기판(11)에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있고, 제1층(12)에 의해, 기초 기판(11)이 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 분위기에 노출되는 것을 억제할 수 있다. 이 상승 효과에 의해, 기초 기판(11)의 승화를 억제할 수 있다. 따라서, 결정성이 양호한 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킬 수 있다. 그 결과, 이 질화 알루미늄 결정(20)을 이용하여 제조된 질화 알루미늄 결정(21)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
만약, 기초 기판(11)과 서셉터(116) 사이에 간극이 생긴 경우라도, 기초 기판(11)보다 승화하기 어려운 제1층(12)이 형성되어 있기 때문에, 기초 기판(11)의 구성 원소가 제1층(12)을 통과하여 기초 기판(11)으로부터 서셉터(116)에 확산되는 것을 방지할 수 있다. 또한 만약, 기초 기판(11)으로부터 제1층(12) 및 제2층(13)의 일부가 박리된 경우라도, 제2층(13)으로부터 기초 기판(11)이 받는 열을 놓아줄 수 있다. 이 때문에, 기초 기판(11)과 서셉터(116)와의 온도 기울기를 종래보다 작게 할 수 있으므로, 기초 기판(11)의 승화를 억제할 수 있다. 또한, 만약 제1층 및 제2층(12, 13)이 박리되는 경우라도, 종래의 제1층 및 제2층(12, 13)이 형성되어 있지 않은 기초 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 경우보다, 적층 기판(10)을 이용하여 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 경우 쪽이, 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시키는 단계 S4의 후기 단계에서, 제1층 및 제2층(12, 13)의 일부가 박리되는 데에서 멈춘다. 이 때문에, 종래보다 기초 기판(11)의 승화 타이밍을 늦출 수 있으므로, 기초 기판(11)을 관통하는 구멍이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 적층 기판(10)은 기초 기판(11)의 냉각 효과를 높이는 제2층(13)을 구 비하고 있기 때문에, 질화 알루미늄 결정(20)의 원료(17)의 가열 온도를 높게 설정하더라도 기초 기판(11)의 승화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 이 원료(17)와 기초 기판(11)과의 온도 기울기를 크게 할 수 있으므로, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 질화 알루미늄 결정(20)의 성장 방법 및 질화 알루미늄 결정(21)의 제조 방법에 있어서, 적층 기판(10)을 준비하는 공정(단계 S1∼S3)은, 기초 기판(11)의 이면(11b) 상에 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 배치하고, 혼합물 상에 제2층(13)을 배치하는 공정과, 제1층(12)으로 하기 위해 혼합물을 소결하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 가압 부재 등을 이용하지 않거나 혹은 가압 부재를 이용하는 경우라도 작은 압력, 낮은 온도로, 제2층(13)을 기초 기판(11)과 일체화할 수 있기 때문에, 간략화한 방법으로 적층 기판(10)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 제1층(12)을 통해 기초 기판(11)과 제2층(13)을 일체화할 수 있는 적층 기판(10)이 용이하게 얻어진다. 또한, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장면에 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장면과 가압 부재와의 반응을 방지할 수 있으며, 질화 알루미늄 결정(20)의 성장면에 손상층이 발생하는 것을 방지할 수 있는 등 양호한 결정성의 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킬 수 있다. 또한, 제1층(12)을 통해 기초 기판(11)과 제2층(13)을 강고히 접합할 수 있다.
이와 같이, 얻어지는 질화 알루미늄 결정(20, 21)의 결정성은 양호하기 때문에, 예컨대 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등의 광 디바이스, 쇼트키 장벽 다이 오드, 정류기, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor), 전계 효과 트랜지스터, HEMT(High Electron Mobility Transistor: 고전자 이동도 트랜지스터) 등의 전자 디바이스, 온도 센서, 압력 센서, 방사선 센서, 가시-자외광 검출기 등의 반도체 센서, SAW(Surface Acoustic Wave Device: 표면 탄성파 소자) 디바이스, 진동자, 공진자, 발진기, MEMS 부품, 압전 액츄에이터 등에 적합하게 이용할 수 있다.
(실시형태 2)
도 8은 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법은 기본적으로는 실시형태 1과 마찬가지이지만, 금속 피막을 구비한 적층 기판을 준비하는 점(금속 피막을 형성하는 단계 S6를 더 구비하고 있는 점)에서 다르다.
도 9는 본 실시형태에서의 적층 기판(10)을 나타내는 개략 측면도이다. 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 우선 실시형태 1과 마찬가지로 기초 기판(11)을 준비한다(단계 S1).
다음에, 기초 기판(11)의 이면(11b)에 증착법에 의해 금속 피막(14)을 형성한다(단계 S6). 금속 피막(14)의 두께(H14)는 1 ㎛ 이상 800 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 1 ㎛ 이상인 경우, 금속 피막(14)의 방열 효과를 높일 수 있기 때문에, 기초 기판(11)에 열이 축적되는 것을 방지할 수 있다. 800 ㎛ 이하인 경우, 금속 피막(14)이 기초 기판(11)으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다. 200 ㎛ 이하인 경우, 금속 피막(14)이 기초 기 판(11)으로부터 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 금속 피막(14)은 텅스텐, 탄탈 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음에, 금속 피막의 이면(14b)[기초 기판(11)과 접촉하는 주표면(14a)과 반대측의 표면]에, 실시형태 1과 마찬가지로 제1층(12)을 형성한다(단계 S2). 제1층(12)이 혼합물을 소결시킴으로써 형성되는 경우에는, 금속 피막(14)에 혼합물을 접촉시킨다.
다음에, 실시형태 1과 마찬가지로, 제1층(12)의 이면(12b)에 제2층(13)을 형성한다. 이에 따라, 기초 기판(11)과, 금속 피막(14)과, 제1층(12)과, 제2층(13)을 구비한 적층 기판(10)을 준비할 수 있다.
도 10은 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정(20)을 성장시킨 상태를 나타내는 개략 측면도이다. 도 8 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 실시형태 1과 마찬가지로, 기초 기판(11)의 이면(11b)이 금속 피막(14), 제1층(12) 및 제2층(13)으로 덮힌 상태로, 기초 기판(11)의 주표면(11a) 상에 질화 알루미늄 결정(20)을 기상 성장법에 의해 성장시킨다(단계 S4).
도 11은 본 실시형태에서의 적층 기판(10)을 이용하여 승화법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 상태를 나타내는 모식도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 적층 기판(10)이 금속 피막(14)을 구비하고 있는 경우라도, 실시형태 1과 마찬가지로 이 적층 기판(10)을 서셉터(116)에 적재한다.
도 12는 본 실시형태에서의 적어도 제1층(12)을 제거한 상태를 나타내는 개 략 측면도이다. 다음에, 도 8 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 적층 기판(10) 및 질화 알루미늄 결정(20)으로부터 적어도 제1층(12)을 제거한다(단계 S5).
금속 피막(14)은 산성 용액에 의해 에칭되기 때문에, 에칭에 의해 금속 피막(14)을 기초 기판(11)으로부터 제거함으로써, 제1층(12)을 기초 기판(11)으로부터 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 이 이외의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법은, 실시형태 1에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법의 구성과 동일하기 때문에, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여 그 설명은 반복하지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법은, 기초 기판(11)과, 이면(11b)에 형성된 금속 피막(14)과, 금속 피막(14)에 형성된 제1층(12)과, 제1층(12)에 형성된 제2층(13)을 포함한 적층 기판(10)을 이용하고 있다.
본 실시형태에서의 질화 알루미늄 결정의 성장 방법 및 제조 방법에 의하면, 금속 피막(14)의 열전도율이 매우 높기 때문에, 금속 피막(14)의 방열성이 매우 높고, 또한 금속 피막(14)과 기초 기판(11)의 계면에서의 열저항이 낮다. 이 때문에, 금속 피막(14)을 형성함으로써, 기초 기판(11)에 축적된 열을 방열하는 효과를 매우 향상시킬 수 있다.
또한, 증착법에 의해 금속 피막(14)을 형성할 수 있기 때문에, 전술한 특허 문헌 3의 가압 부재를 이용할 때의 문제도 생기지 않는다.
또한, 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 후에, 산성 용액에 의한 에칭을 행함 으로써, 질화 알루미늄 결정(20)으로부터 적어도 제1층(12)을 용이하게 제거할 수 있다.
실시예 1
본 실시예에서는, 제2층을 구비한 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시킴에 의한 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는, 기초 기판의 이면측에 여러가지 두께의 제1층 및 제2층을 형성한 적층 기판을 이용하여, 기초 기판의 주표면측에 질화 알루미늄 결정을 성장시켜, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생했는지를 조사했다.
상세하게는, 우선 기초 기판으로서, 10 mm의 직경과, 500 ㎛의 두께를 가지고, 승화법에 의해 제작된 질화 알루미늄 단결정 기판을 준비했다(단계 S1). 이 질화 알루미늄 단결정 기판의 오프각은 0.3°이하이고, 주표면을 경면 마무리하며, 이면을 랩 마무리했다.
다음에, 질화 알루미늄 단결정으로 이루어지고, 1 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 준비했다. 또한 아세톤, 포르말린(포름알데히드), 푸르푸릴알콜 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 용제를 준비했다. 그리고 중량 혼합비가 분말:용제=100:35가 되도록 분말 및 용제를 혼합하고, 페이스트형이 될 때까지 교반함으로써, 혼합물을 형성했다.
또한, 질화 알루미늄 세라믹스로 이루어지고, 하기의 표 1에 기재한 두께를 갖는 제2층을 준비했다. 또한, 질화 알루미늄 세라믹스의 열전도율은 300 W/(mㆍK)이고, 기초 기판의 열전도율은 400 W/(mㆍK)이다.
다음에, 이 기초 기판의 이면 상에 상기 혼합물을 균일하게 도포하고, 이 혼합물 상에 제2층을 배치했다. 이 상태로, 진공 가열로를 이용하여, 혼합물 내의 공기를 탈포하면서 가열하고, 또한 기초 기판과 제2층에 하중을 가하여 혼합물을 제1층으로 함과 함께, 기초 기판과 제1층과 제2층을 고착시켰다. 또한, 제1층의 열전도율은 150 W/(mㆍK)였다. 제1층의 두께는 하기의 표 1과 같았다. 이에 따라, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 제1층과, 제1층에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3).
또한, 가열로의 온도를 400℃, 승온 시간이 30분, 유지 시간이 4시간, 냉각 시간이 1시간인 합계 5시간 30분의 가열 시간으로 했다. 또한, 가한 하중은 400℃의 온도에서 4.9 kPa의 크기였다.
다음에, 도 6에 나타내는 결정 성장 장치를 이용하여, 승화법에 의해, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4). 이 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 단계 S4에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 반응 용기(122) 내의 도가니(115) 상부에 적층 기판(10)을 적재하고, 도가니(115) 하부에 원료(17)로서 질화 알루미늄 다결정을 수용했다. 또한, 서셉터(116)의 재료는 카본이고, 그 열전도율은 100 W/(cmㆍK)였다.
다음에, 반응 용기(122) 내에 질소 가스를 흘리면서, 고주파 가열 코일(123)을 이용하여 도가니(115) 내의 온도를 상승시키고, 기초 기판(11)의 온도를 2000℃, 원료(17)의 온도를 2100℃로 하여 원료(17)를 승화시켜, 기초 기판(11)의 주표면 상에서 재결정화시키고, 성장 시간을 500시간으로 하여, 기초 기판(11) 상에 질 화 알루미늄 결정을 50 mm의 두께가 되도록 성장시켰다.
또한, 질화 알루미늄 결정의 성장 중에서는, 반응 용기(122) 내에 질소 가스를 계속해서 흘리고, 반응 용기(122) 내의 가스 분압이 10 kPa∼100 kPa 정도가 되도록 질소 가스 배기량을 제어했다.
이와 같이 성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해, 구멍이 발생했는지 여부를 광학 현미경, SEM 및 눈으로 확인함에 의해 조사했다. 또한, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되었는지 여부를 광학 현미경, SEM 및 눈으로 확인함에 의해 조사했다. 그 결과를 하기의 표 1에 기재한다. 표 1에 있어서 「○」는 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되지 않은 것을 의미하고, 「×1」은 기초 기판으로부터 제1층의 일부가 박리된 것을 의미하며, 「×2」는 제1층으로부터 제2층의 일부가 박리된 것을 의미한다.
[표 1]
(측정 결과)
제1층보다 높은 열전도율을 갖는 제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍의 발생이 없었다. 이로부터, 제2층에 의해 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있었음을 알 수 있었다.
특히 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1층의 두께가 0.05 mm 이상 10.0 mm 이하이고, 제2층의 두께가 0.05 cm 이상 10.0 cm 이하인 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 경우에, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되는 것 및 제1층으로부터 제2층이 박리되는 것을 방지할 수 있었기 때문에, 기초 기판이 승화되는 것을 방지할 수 있었다.
또한, 제1층의 두께가 11.0 mm, 및 제2층의 두께가 11.0 cm 중 적어도 어느 하나인 경우에는, 제1층의 기초 기판으로부터의 박리, 및 제2층의 제1층으로부터의 박리 중 적어도 어느 하나가 발생했다. 그러나, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있었기 때문에, 기초 기판의 일부가 승화하여 기초 기판의 이면에 요철은 생겼지만, 기초 기판에 관통하는 구멍이 발생하지 않았다. 또한, 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 초기 단계에서는 기초 기판의 승화를 방지할 수 있고, 기초 기판의 이면의 승화의 진행을 늦출 수 있었다.
이 때문에, 성장시킨 질화 알루미늄에도 구멍이 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 제2층을 구비한 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시킴으로써, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 기초 기판의 승화를 억제할 수 있어, 그 위에 성장시키는 질화 알루미늄 결정에 구멍이 뚫리는 것을 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 2
본 실시예에서는, 제1층이 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 소결하여 이루어 지는 경우의 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는, 여러가지 입자 지름의 분말을 이용하여 제1층을 형성하고, 기초 기판의 주표면측에 질화 알루미늄 결정을 성장시켜, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생했는지를 조사했다.
상세하게는, 우선 실시예 1과 동일한 기초 기판을 준비했다(단계 S1). 다음에, 0.5 ㎛, 1.0 ㎛, 5.0 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 150 ㎛ 및 200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 각각 준비했다. 또한 실시예 1과 동일한 용제를 준비했다. 그리고 중량 혼합비가 분말:용제=100:35가 되도록 분말 및 용제를 각각 혼합하고, 페이스트형이 될 때까지 교반함으로써, 혼합물을 각각 형성했다.
또한, 질화 알루미늄 세라믹스로 이루어지고, 1 cm의 두께를 갖는 실시예 1과 동일한 제2층을 준비했다.
다음에, 실시예 1과 마찬가지로 혼합물을 소결함으로써, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 10 mm의 두께를 갖는 제1층과, 제1층측에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3).
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 도 6에 나타내는 결정 성장 장치를 이용하여, 승화법에 의해, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4).
또한, 준비한 적층 기판에 의해, 기초 기판(11)의 온도와 원료(17)의 온도를 적절하게 변경했다. 구체적으로는, 0.5 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용한 적층 기판에 대해서는, 기초 기판(11)의 온도를 2100℃로 하고, 원료(17)의 온도를 2200℃로 했다.
실시예 1과 마찬가지로, 이와 같이 성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해 구멍이 발생했는지 여부, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되었는지 여부 및 제1층으로부터 제2층이 박리되었는지 여부를 조사했다. 그 결과를 표 2에 기재한다. 또한, 표 2 중 「○」, 「×2」에 대해서는, 실시예 1의 표 1과 동일한 의미이다.
또한, 원료(17)의 온도와 기초 기판(11)의 온도를 상기한 바와 같이 설정함으로써, 질화 알루미늄 결정의 성장 속도를 측정했다. 그 결과를 표 2에 기재한다.
[표 2]
(측정 결과)
제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍이 발생하지 않았다.
특히 표 2에 나타낸 바와 같이, 0.5 ㎛∼10 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 기초 기판이 받은 열을 외부로 확산시킬 수 있었기 때문에, 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 높게 설정할 수 있었다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 뚫리지 않고, 50 ㎛/h 이상의 큰 성장 속도로 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 수 있었다. 또한, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 억제할 수 있었다.
20 ㎛∼100 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 0.5 ㎛∼10 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판보다 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 낮은 온도로 설정해야 했기 때문에, 성장 속도가 조금 작아졌지만, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 방지할 수 있었다.
110 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 20 ㎛∼100 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판을 이용한 경우의 질화 알루미늄 다결정 원료의 설정 온도와 동일했다. 또한, 110 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 제1층으로부터 제2층이 박리되었기 때문에, 기초 기판의 이면에 요철이 형성되어 있었지만, 기초 기판을 관통하는 구멍은 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 분말과 용매를 소결하여 이루어지는 제1층을 구비하고 있는 경우에는, 분말이 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 입자 지름을 갖고 있음으로써, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 보다 더 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 3
본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 제2층을 구비한 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시킴에 의한 효과에 대해 조사했다.
상세하게는, 우선 기초 기판으로서, 50 mm의 직경을 가지고, 400 ㎛의 두께를 갖는 탄화규소 단결정 기판을 준비했다(단계 S1). 이 탄화규소 단결정 기판의 결정 방위(0002)에 대한 오프각은 3°이고, 주표면을 경면 마무리하며, 이면을 랩 마무리했다.
다음에, 10 ㎛의 입자 지름을 가지고, 순도가 99.99%의 탄소를 분말로서 준비했다. 또한 아세톤, 포르말린(포름알데히드), 푸르푸릴알콜 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 용제를 준비했다. 그리고 중량 혼합비가 분말:용제=100:35가 되도록 분말 및 용제를 혼합하고, 페이스트형이 될 때까지 교반함으로써, 혼합물을 형성했다.
또한, 하기의 표 3에 기재한 두께를 갖는 카본 기판을 제2층으로서 준비했다. 또한, 카본 기판의 열전도율은 200 W/(mㆍK)이고, 기초 기판의 열전도율은 400 W/(mㆍK)이다.
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 혼합물을 소결함으로써, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 제1층과, 제1층측에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3). 또한, 제1층의 열전도율은 실시예 1과 동일한 150 W/(mㆍK)이고, 제1층의 두께는 하기의 표 3과 같았다. 또한, 본 실시예에서는, 가열로의 온도를 350℃, 승온 시간이 30분, 유지 시간이 3시간, 냉각 시간이 1시간인 합계 4시간 30분의 가열 시간으로 했다.
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 승화법에 의해, 도 6에 나타내는 결정 성장 장치를 이용하여, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4). 본 실시예에서는, 기초 기판(11)의 온도를 1700℃, 원료(17)의 온도를 1900℃로 하여 원료(17)를 승화시키고, 기초 기판(11)의 주표면 상에서 재결정화시키며, 성장 시간을 500시간으로 해서, 기초 기판(11) 상에 질화 알루미늄 결정을 25 mm의 두께가 되도록 성장시켰다. 또한, 질화 알루미늄 결정의 성장 중의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 했다.
이와 같이 성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해, 구멍이 발생했는지 여부, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되었는지 여부, 제1층으로부터 제2층이 박리되었는지 여부를 실시예 1과 마찬가지로 조사했다. 그 결과를 하기의 표 3에 기재한다. 표 3에 있어서 「○」,「×1」 및 「×2」는, 실시예 1의 표 1과 동일한 의미이다.
[표 3]
(측정 결과)
제1층보다 높은 열전도율을 갖는 제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이 용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍의 발생이 없었다. 이로부터, 제2층에 의해 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있었음을 알 수 있었다.
특히 표 3에 나타낸 바와 같이, 제1층의 두께가 0.05 mm 이상 10.0 mm 이하이고, 제2층의 두께가 0.05 cm 이상 10.0 cm 이하인 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장한 경우에, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되는 것, 및 제1층으로부터 제2층이 박리되는 것을 방지할 수 있었기 때문에, 기초 기판이 승화하는 것을 방지할 수 있었다.
또한, 제1층의 두께가 11.0 mm, 및 제2층의 두께가 11.0 cm 중 적어도 어느 하나인 경우에는, 제1층의 기초 기판으로부터의 박리, 및 제2층의 제1층으로부터의 박리 중 적어도 어느 하나가 발생했다. 그러나, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있었기 때문에, 기초 기판의 일부가 승화하여 기초 기판의 이면에 요철은 생겼지만, 기초 기판을 관통하는 구멍이 발생하지 않았기 때문에, 성장시킨 질화 알루미늄에도 구멍이 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 제2층을 구비한 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시킴으로써, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 기초 기판이 승화되는 것을 억제할 수 있어, 그 위에 성장되는 질화 알루미늄 결정에 구멍이 뚫리는 것을 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 기초 기판이 탄화규소 기판이고, 제2층이 탄소 원소를 포함하는 경우에도 실시예 1과 동일한 효과를 가짐을 확인할 수 있었다.
실시예 4
본 실시예에서는, 실시예 2와 마찬가지로, 제1층이 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 소결하여 이루어지는 경우의 효과에 대해 조사했다.
상세하게는, 우선 실시예 3과 동일한 기초 기판을 준비했다(단계 S1). 다음에, 0.5 ㎛, 1.0 ㎛, 5.0 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 150 ㎛ 및 200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 각각 준비했다. 또한 실시예 3과 동일한 용제를 준비했다. 그리고 중량 혼합비가 분말:용제=100:35가 되도록 분말 및 용제를 각각 혼합하고, 페이스트형이 될 때까지 교반함으로써, 혼합물을 각각 형성했다. 또한, 실시예 3과 동일한 제2층을 준비했다.
다음에, 실시예 3과 마찬가지로, 혼합물을 소결함으로써, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 10 mm의 두께를 갖는 제1층과, 제1층측에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3).
다음에, 실시예 3과 마찬가지로, 도 6에 나타내는 결정 성장 장치를 이용하여, 승화법에 의해, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4). 또한, 적층 기판에 의해, 기초 기판(11)의 온도와 원료(17)의 온도를 적절하게 변경했다. 구체적으로는, 0.5 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용한 적층 기판에 대해서는, 기초 기판(11)의 온도를 1800℃로 하고, 원료(17)의 온도를 2000℃로 했다.
실시예 1과 마찬가지로, 이와 같이 성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해 구멍이 발생했는지 여부, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되었는지 여부, 및 제1층으로부터 제2층이 박리되었는지 여부를 조사했다. 그 결과를 표 4에 기재한다. 또 한, 표 4 중 「○」, 「×2」에 대해서는, 실시예 1의 표 1과 동일한 의미이다.
[표 4]
(측정 결과)
제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍이 발생하지 않았다.
특히 표 4에 나타낸 바와 같이, 0.5 ㎛∼10 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 기초 기판이 받은 열을 기초 기판의 외부로 확산시킬 수 있었기 때문에, 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 높게 설정할 수 있었다. 이 때문에, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 뚫리지 않고, 50 ㎛/h 이상의 높은 성장 속도로 질화 알루미늄 결정을 성장시킬 수 있었다. 또한, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 억제할 수 있었다.
20 ㎛∼100 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 0.5 ㎛∼10 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판보다 질화 알루미늄 다결정 원료의 온도를 낮은 온도로 설정해야 했기 때문에, 성장 속도가 조금 작아졌지만, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 방지할 수 있었다.
110 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 20 ㎛∼100 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판을 이용한 경우의 질화 알루미늄 다결정 원료의 설정 온도와 마찬가지였다. 또한, 110 ㎛∼200 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 이용하여 이루어지는 제1층을 구비한 적층 기판은, 제1층으로부터 제2층이 박리되었기 때문에, 기초 기판의 이면에 요철이 형성되어 있었지만, 기초 기판을 관통하는 구멍은 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 분말과 용매를 소결하여 이루어지는 제1층을 구비하고 있는 경우에는, 분말이 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 입자 지름을 갖고 있으면, 기초 기판의 열의 축적을 보다 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 5
본 실시예에서는, 기초 기판에 대한 제1층 및 제2층의 열팽창율의 차이에 의한 박리 억제의 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는 여러가지 열팽창율을 갖는 제1층 및 제2층을 형성하고, 기초 기판의 주표면측에 질화 알루미늄 결정을 성장시켜, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생했는지를 조사했다.
상세하게는, 우선 실시예 3과 동일한 기초 기판을 준비했다. 기초 기판의 2000℃에서의 열팽창율은 7.0×10-6℃-1이었다. 다음에, 실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에서, 제1층의 열팽창율과 기초 기판의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-6℃-1 미만에서부터 1.1×10-5℃-1의 범위가 되는 혼합물층을 기초 기판의 이면측에 형성했다. 또한, 실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에서, 제2층의 열팽창율과 기초 기판의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-6℃-1 미만에서부터 1.1×10-5℃-1의 범위가 되는 제2층의 카본판을 준비했다.
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 혼합물을 소결함으로써, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 제1층과, 제1층측에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3).
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 도 6에 나타내는 결정 성장 장치를 이용하여, 승화법에 의해, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4).
성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해 구멍이 발생했는지 여부, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되었는지 여부, 및 제1층으로부터 제2층이 박리되었는지 여부를 조사했다. 측정 방법은 실시예 1과 기본적으로는 동일했지만, 초음파 탐상 측정기를 더 이용한 점에서 달랐다. 그 결과를 하기의 표 5에 기재한다. 또한, 표 5 중 「○」, 「×1」에 대해서는, 실시예 1의 표 1과 동일한 의미이다.
[표 5]
(측정 결과)
표 5에 나타낸 바와 같이, 기초 기판의 열팽창율과 제1층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5/℃ 이하이고, 기초 기판의 열팽창율과 제2층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5/℃ 이하인 경우에는, 기초 기판과 제1층, 제1층과 제2층 사이에 박리가 발생하지 않고, 성장한 질화 알루미늄 결정에도 구멍이 발생하지 않았다. 이로부터, 제1층 및 제2층의 열팽창율을 기초 기판의 열팽창율에 가깝게 함으로써 그 후의 냉각시에 열팽창율의 차이로부터 발생하는 박리를 억제할 수 있었다.
또한, 기초 기판의 열팽창율과 제1층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.1×10-5/℃, 및 기초 기판의 열팽창율과 제2층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.1×10-5/℃ 중 적어도 한쪽인 경우에는, 제1층의 기초 기판으로부터의 박리가 발생했다. 그러나, 기초 기판에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있었기 때문에, 기초 기판의 일부가 승화하여 기초 기판의 이면에 요철은 생겼지만, 기초 기판에 관통하는 구멍이 발생하지 않았다. 또한, 질화 알루미늄 결정을 성장시킨 초기 단계에서는 기초 기판의 승화를 방지할 수 있고, 기초 기판 이면의 승화가 진행되는 것을 늦출 수 있었다. 이 때문에, 성장된 질화 알루미늄에도 구멍이 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 기초 기판의 열팽창율과, 제1층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5℃-1 이하이고, 또한 기초 기판의 열팽창율과 제2층의 열팽창율의 차의 절대치가 1.0×10-5℃-1 이하로 됨으로써, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 6
본 실시예에서는, 금속 피막을 더 구비한 적층 기판을 이용하여 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 것의 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는, 여러가지 두께의 티탄막을 기초 기판의 이면측에 형성하고, 기초 기판의 주표면측에 질화 알루미늄 결정을 성장시켜, 질화 알루미늄 결정에 구멍이 발생했는지를 조사했다.
상세하게는, 우선 실시예 1과 동일한 기초 기판을 준비했다(단계 S1). 다음에, 1 ㎛, 10 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 200 ㎛, 500 ㎛, 800 ㎛ 및 1000 ㎛의 두께를 갖는 금속 피막을 증착법에 의해 형성했다.
다음에, 50 ㎛의 입자 지름을 갖는 분말을 준비했다. 또한 실시예 1과 동일한 용제를 준비했다. 그리고 중량 혼합비가 분말:용제=100:35가 되도록 분말 및 용제를 혼합하고, 페이스트형이 될 때까지 교반함으로써, 혼합물을 형성했다.
또한, 질화 알루미늄 세라믹스로 이루어지고, 1.0 cm의 두께를 갖는 제2층을 준비했다.
다음에, 금속 피막 위에 혼합물을 접촉시키고, 이 혼합물 상에 제2층을 배치하여, 실시예 1과 마찬가지로 혼합물을 소결함으로써, 기초 기판과, 기초 기판의 이면측에 형성된 금속 피막과, 금속 피막에 형성된 10 mm의 두께를 갖는 제1층과, 제1층에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비했다(단계 S2, S3). 또한, 제1층, 제2층, 기초 기판 및 서셉터의 열전도율은, 실시예 1과 마찬가지였다.
다음에, 실시예 1과 마찬가지로, 도 11에 나타낸 바와 같이, 결정 성장 장치를 이용하여, 승화법에 의해, 기초 기판의 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 성장시켰다(단계 S4).
실시예 1과 마찬가지로, 이와 같이 성장시킨 질화 알루미늄 결정에 대해 구멍이 발생했는지 여부, 기초 기판으로부터 제1층이 박리되었는지 여부, 및 제1층으로부터 제2층이 박리되었는지 여부를 조사했다. 그 결과를 표 6에 기재한다.
[표 6]
(측정 결과)
금속 피막 및 제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍의 발생이 없었다.
특히 표 6에 나타낸 바와 같이, 금속 피막의 두께가 1 ㎛∼200 ㎛의 두께를 갖는 금속 피막을 구비한 적층 기판은, 금속 피막 및 제2층에 의해 기초 기판이 받은 열을 외부로 확산시킬 수 있었기 때문에, 기초 기판으로부터 제1층 및 제2층이 박리되는 것을 억제할 수 있었다.
500 ㎛∼800 ㎛의 두께를 갖는 금속 피막을 구비한 적층 기판은, 기초 기판으로부터 금속 피막이 부분적으로 박리되었다. 그러나, 금속 피막 및 제2층에 의해 기초 기판에 축적되는 열을 억제할 수 있었기 때문에, 기초 기판의 일부가 승화 함으로써 이면에 요철이 생겼지만, 기초 기판을 관통하는 구멍은 발생하지 않았다.
또한, 1000 ㎛의 두께를 갖는 금속 피막을 구비한 적층 기판은, 기초 기판으로부터 금속 피막이 박리되었지만, 성장시킨 질화 알루미늄 결정 대부분을 종료한 시점이었기 때문에, 기초 기판에 요철이 생겼지만 기초 기판을 관통하는 구멍은 발생하지 않았다.
이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 금속 피막을 구비한 적층 기판을 이용함으로써, 기초 기판의 승화를 억제할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 금속 피막은 1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 것이 기초 기판의 보호에 효과적임을 확인할 수 있었다.
실시예 7
본 실시예에서는, 기본적으로 실시예 6과 동일했지만, 몰리브덴으로 이루어지는 금속 피막을 형성한 점에서만, 실시예 6과 다르다. 이 결과를 하기의 표 7에 나타낸다.
[표 7]
금속 피막 및 제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질 화 알루미늄에는, 구멍이 발생하지 않았다.
또한, 금속 피막이 티탄으로 이루어지는 실시예 6과 마찬가지로, 몰리브덴으로 이루어지는 금속 피막을 구비한 적층 기판을 이용한 경우에도, 1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 경우에, 보다 효과적으로 기초 기판을 보호할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 8
본 실시예에서는, 기본적으로 실시예 6과 동일했지만, 텅스텐으로 이루어지는 금속 피막을 형성한 점에서만, 실시예 6과 다르다. 이 결과를 하기의 표 8에 나타낸다.
[표 8]
표 8에 나타낸 바와 같이, 금속 피막 및 제2층을 구비한 상기 모든 적층 기판을 이용하여 성장시킨 질화 알루미늄에는, 구멍의 발생이 없었다.
또한, 금속 피막이 티탄으로 이루어지는 실시예 6 및 금속 피막이 몰리브덴으로 이루어지는 실시예 7과 마찬가지로, 텅스텐으로 이루어지는 금속 피막을 구비한 적층 기판을 이용한 경우에도, 1 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 두께를 갖고 있는 경우 에, 보다 효과적으로 기초 기판을 보호할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 실시형태가 아니라 특허청구범위에 의해 나타나고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
Claims (18)
- 주표면과 상기 주표면과 반대측의 이면을 갖는 기초 기판과, 상기 이면에 형성된 제1층과, 상기 제1층에 형성된 제2층을 구비한 적층 기판을 준비하는 공정과,상기 기초 기판의 상기 주표면 상에 질화 알루미늄 결정을 기상 성장법에 의해 성장시키는 공정을 포함하며,상기 제1층은 상기 질화 알루미늄 결정의 성장 온도에서 상기 기초 기판보다 승화하기 어려운 재질로 이루어지고,상기 제2층은 상기 제1층의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 질화 알루미늄 결정의 성장은 상기 적층 기판이 서셉터에 적재된 상태로 행해지고,상기 제2층은 상기 서셉터의 열전도율보다 높은 재질로 이루어지는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 준비하는 공정은,상기 기초 기판의 상기 이면 상에 분말과 용제를 혼합한 혼합물을 배치하고, 상기 혼합물 상에 상기 제2층을 배치하는 공정과,상기 제1층으로 하기 위해 상기 혼합물을 소결하는 공정을 포함하는 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항에 있어서,상기 기초 기판은 질화 알루미늄 기판이고,상기 분말은 질화 알루미늄 단결정인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항에 있어서,상기 기초 기판은 질화 알루미늄 기판이고,상기 분말은 질화 알루미늄 다결정, 질화 알루미늄 세라믹스 및 질화 알루미늄 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항에 있어서,상기 분말은 붕화지르코늄, 붕화티탄, 붕화탄탈, 붕화니오븀, 붕화몰리브덴 및 붕화크롬으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 분말인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항에 있어서,상기 기초 기판은 탄화규소 기판이고,상기 분말은 탄소 원소를 포함하는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 용제는 유기물, 수지 및 방향족 알콜이 혼합되어 이루어지는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 용제는 아세톤, 포르말린(포름알데히드), 푸르푸릴알콜 및 폴리이미드 수지가 혼합되어 이루어지는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2층은 탄소 원소를 포함하는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2층은 질화 알루미늄을 포함하는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2층의 두께는 10 ㎛ 이상 10 cm 이하인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,실온 이상 2300℃ 이하의 온도 범위에서, 상기 기초 기판의 열팽창율과 상기 제1층의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-5℃-1 이하이고, 상기 기초 기판의 열팽창율과 상기 제2층의 열팽창율의 차의 절대치는 1.0×10-5℃-1 이하인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,상기 준비하는 공정은, 상기 기초 기판의 상기 이면 상에 증착법에 의해 금속 피막을 형성하는 공정을 더 포함하는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제14항에 있어서,상기 금속 피막의 두께는 1 ㎛ 이상 800 ㎛ 이하인 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제14항 또는 제15항에 있어서,상기 금속 피막은 텅스텐, 탄탈 및 몰리브덴으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것인 질화 알루미늄 결정의 성장 방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 질화 알루미늄 결정의 성장 방법에 의해 질화 알루미늄 결정을 성장시키는 공정과,적어도 상기 제1층을 제거하는 공정을 포함하는 질화 알루미늄 결정의 제조 방법.
- 제17항에 기재한 질화 알루미늄 결정의 제조 방법에 의해 제조된 질화 알루미늄 결정.
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